關于液壓缸緩沖裝置設計的研究

戴寬強

（廣西機電技師學院，廣西 柳州 545005）

在科技發展迅猛的當今社會，工程器械已經成了重要的工具，而液壓缸則是其中重要的執行機構。而緩沖裝置顧名思義是起到器械緩沖作用的裝置，工程器械在高速度運轉的工作過程中，在行程終點不可避免的會產生巨大的沖擊力，此時就需要緩沖裝置進行速度降解，以免造成器械的磨損和毀壞。

1 我國現今的液壓油缸的緩沖裝置

液壓油缸作為生產機械，是通過直線往復擺動運動將液壓能轉變為機械能。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。液壓油缸發展至今已有多種結構形式，可以由運動方式、結構形式、受壓力作用等分類，而按結構形式的分類，可分為三大類，實現直線往復運動的有活塞缸和柱塞缸，而實現擺動運動輸出角速度的則是擺動缸。

在我國，液壓缸中常見的幾種緩沖裝置，第一是圓柱形環隙式，當緩沖柱塞進入缸蓋內孔時，缸蓋和活塞間形成緩沖腔，排油腔的液壓油只能從環形間隙中擠出，利用增大阻力來減緩活塞運動的速度，這種裝置因為阻力的瞬間增大可以在緩沖最開始時達到效果，但是后期的緩沖效果并不明顯。第二是可變節流槽式，這種裝置的緩沖柱塞是三角槽式結構。這種緩沖裝置將緩沖柱塞放入液壓油缸中，利用緩沖柱塞三角槽的結構，使油液推動柱塞移動以達到緩沖的效果，這種緩沖方式較為均衡，沖擊性小，制動時的位置精度高。第三是可調節流孔式。這種裝置是利用節流閥的節流作用，而可調節是指通過改變節流閥的大小或者形狀來調節通過節流閥的油液面積，以此達到節流量不同，節流速度改變的效果。

2 液壓油缸緩沖裝置原理

常見的液壓油缸緩沖裝置是通過節流裝置減緩油液速度，以達到緩沖的目的。一般分為固定式和可調節式。固定的節流緩沖方式由于液壓油缸在工作過程中帶有負載，而油缸內的壓力再加上負載的壓力會在液壓油缸的工作過程中產生巨大的沖擊力，而固定的節流緩沖裝置在此時要承受這種沖擊力并且實現節流緩沖的功能，這會對緩沖裝置造成極大的損傷，久而久之緩沖裝置就會損壞，這樣不僅不利于生產的安全性同時也提高了生產成本。所以固定節流方式的緩沖結構只適用于低速、輕載的簡單油缸。所以在高速、重載的情況下，一般選用可調節流方式的緩沖裝置。當緩沖柱塞進入油缸緩沖腔時，隨著油液的推動作用，柱塞的凸臺進入凹腔，且它們之間的間隙很小，而油腔內的油液只能由節流口流出，此時通道閉合，液阻變大，在回油腔中形成背壓，從而實現液壓油缸的活塞緩沖功能。而之所以說是可調節流方式，是因為通過調節節流口的口徑大小就可以調節流速，從而達到調節緩沖速度的目的。

3 新型高速液壓缸內緩沖裝置的設計

3.1 緩沖裝置結構

通過前文中對于液壓油缸緩沖裝置的了解，以此為依據設計高速液壓油缸的緩沖裝置，高速液壓油缸的活塞速度可達到5m/s，在如此的速度之下，必須使用緩沖裝置進行緩沖，這要求緩沖裝置可以使高速液壓油缸內活塞在運動到油缸終端時速度降為零，以此來達到避免活塞與油缸尾部撞擊的目的，避免器械的損毀和對工作人員安全的威脅。而如上文中所提到的傳統液壓油缸緩沖裝置是不足以應對高速液壓油缸的緩沖要求。

首先，傳統緩沖裝置只是單程緩沖，其次，緩沖裝置就位于油缸尾端，當油液速度較大時，產生的沖擊力度不能在這較短的行程中達到速度降為零，而且傳統緩沖裝置利用的是油缸內部所產生的壓力，當速度增大時，壓力會呈幾何倍數劇增，就要求油缸內壁要增厚以此來抵擋劇增的內部壓力，這也就是導致了液壓油缸的質量增大。所以在高速液壓油缸中使用傳統的緩沖裝置不僅達不到應有的效果，反而增加了人力物力的損耗，并不可取。

而根據高速液壓油缸特點設計的緩沖裝置，其中活塞桿有四個臺階軸用來放置和固定活塞和擋塊，螺母顧名思義是起到將活塞與活塞桿固定在一起的作用。而擋塊設計為圓錐形，圓錐形使得流過油液在橫截面的面積是不斷改變的，同時油液的體積也是不斷改變的，這都有益于高速油液的減速運動。

在高速液壓油缸工作時，活塞進入緩沖腔被油液推動到形成末端時，擋塊被末端的限位裝置卡住，但時在油液的推動和慣性作用下，活塞仍會向前運動，此時，活塞與擋塊之間出現圓錐形的縫隙達到了限流的作用，緩沖腔內產生壓力，但同時復位彈簧也起到了緩沖的作用使得壓力不會劇增，保護了油缸的安全性，而且此裝置還可以根據不同的油缸特性更換不同的擋板以適應環境。

3.2 新型緩沖裝置設計可行性

在通過對改進的緩沖裝置的仿真后，其結果如圖1所示，加入緩沖裝置和未加入緩沖裝置的緩沖效果對比。而實驗主要通過速度與位移的比值來表現緩沖效果。

在速度與位移的曲線圖中（如圖2）可以看出，未加緩沖裝置的液壓油缸中將油液速度降為零的過程中，實驗結果的數據呈現斜率幾乎為90度的直線段，由此可知，沒有緩沖裝置的液壓油缸，油液以高速沖至油缸尾部與尾部器件發生劇烈碰撞導致油液驟停，在極段的時間內速度降為零。在圖中可以看出雖然降速效果明顯，但是實際對液壓油缸尾部器械產生極大的損害，這種方法并不可取。而加入緩沖裝置的液壓油缸中將油液速度降為零的過程中，實驗結果的數據呈現斜率較為舒緩的曲線段，這是緩沖裝置在起作用，雖然花費的時間較長，但是油液的速度以更安全的方式降為零。由實驗可以看出，緩沖裝置的設計是成功的。改進后的緩沖裝置的速度降解作用是非常有效的。

伴隨著速度降解所帶來的緩沖腔內壓力增大的問題，解決辦法是在仿真過程中采用了不同形狀的擋塊模型，以此來推斷哪種形狀的擋塊更有利于緩解速度帶來的壓力劇增，而由圖2可以看出使用擋塊a時緩沖腔內壓力較小平均低于3MPa，但是緩沖行程增長，而使用擋塊b時緩沖腔內壓力較大，特別是處于緩沖階段的前期，緩沖腔內壓力平均為10MPa，相對的緩沖行程減短，而擋塊a和b的區別在于擋塊a的頂部圓環直徑為39mm，底部圓環直徑為39．5mm，而擋塊b的頂端和尾端的圓環直徑均略大于擋塊a，以此推斷擋塊的內外環直徑要偏小，使得間隙范圍擴大，從而減小內部的壓強，而相對的當間隙擴大時，緩沖作用就會減弱，所以，最終需要尋求一個平衡值來滿足兩方要求。

圖1 加入緩沖裝置與未加入緩沖裝置的速度/位移曲線

圖2 不同擋板的緩沖裝置的緩沖壓力

4 結語

文章主要通過研究了液壓油缸緩沖裝置的結構及工作原理，以此引發思考并設計出高速液壓油缸的新型緩沖裝置，對于此緩沖裝置在工作原理上與傳統裝置并無太大差別。此次改進是在緩沖裝置的結構上進一步優化，主要通過改變擋板的形狀來增大增強緩沖的效果，同時增加復位彈簧來使得緩沖過程中壓力不會劇增。在實驗過程中發現改進的緩沖裝置基本能夠滿足高速液壓油缸的要求，此次改進設計是完全成功的。

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